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문제 정의
- 현재 AMESim 은 세계적으로 많은 대학 및 연구기관과 산업체 등에서 유용하게 사용, 검증 되었으며, 세계 여러 나라의 산업 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 본 연구에서는 MPR 에 적용된 가변용량형 액셜 피스톤펌프 및 일정출력 레귤레이터의 성능 해석을 수행하기 위해, Fig. 12에 나타낸 바와 같이 AMESim 을 이용하여 유압펌프 및 레귤레이터에 대한 모델링을 수행하였다. Fig.
- 검증하였다. 본 장에서는 일정출력 레귤레이터의 일정출력 특성을 검증하는 동시에 일정출력레귤레이터의 작동 원리를 명확히 파악하기 위해서, MPR 용 가변용량형 액셜 피스톤 펌프의 AMESim 을 이용한 시뮬레이션모델의 입력조건을 실험 조건과 동일하게 설정하였다. 즉, 부하압력 및 전기모터의 회전 수 조건을 실제 실험 조건의 값과 동일하게 입력하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다.
제안 방법
- 즉, 부하압력 및 전기모터의 회전 수 조건을 실제 실험 조건의 값과 동일하게 입력하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. Fig. 15 에 나타낸 바와 같이, MPR용 액셜 피스톤 펌프의 일정 출력 특성 시험에서 도출된 부하압력 조건과 동일한 부하조건을 AMESim 을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션에 적용하였다. 또한, MPR용 액셜 피스톤 펌프의 일정출력 특성시험 시 전기모터의 회전수를 4500 rpm으로 설정하였으며, 동일한 전기모터의 회전수를 AMESim 을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션에 입력하였다.
- 가변용량형 사판식 액셜 피스톤 펌프의 일정출력레귤레이터에 대하여 AMESim 소프트웨어를 활용한 수치 시뮬레이션과 실험결과를 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 15 에 나타낸 바와 같이, MPR용 액셜 피스톤 펌프의 일정 출력 특성 시험에서 도출된 부하압력 조건과 동일한 부하조건을 AMESim 을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션에 적용하였다. 또한, MPR용 액셜 피스톤 펌프의 일정출력 특성시험 시 전기모터의 회전수를 4500 rpm으로 설정하였으며, 동일한 전기모터의 회전수를 AMESim 을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션에 입력하였다. AMESim을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션에서 실험조건과 동일한 부하압력 및 전기 모터 의회 전수 조건을 입력하였기 때문에, 시뮬레이션을 통해 도출되는 일정출력 특성 결과가 실제 실험 결과와 유사한 결과를 나타낸다면 일정출력 레귤레이터의 스풀 및 슬리브의 동작을 간접적으로 파악할 수 있으며, 일정출력 레귤레이터의 구동 원리도 확인이 가능하다.
- 일정출력 레귤레이터 시스템에 대한 실험결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델링의 타당성을 입증하였다. 또한, 시뮬레이션 결과로부터 도출된 일정출력 레귤레이터의 스풀 (spool) 과 슬리브 (sleeve) 의 내부 거동을 분석함으로써, 일정출력 레귤레이터의 최적화 설계를 위한 기초 데이터를 도출하였다.
- 따라서 시스템의 거동을 정확히 파악하는데 한계가 있다. 본 연구에서는 AMESim 소프트웨어를 이용하여 실제 제작 도면의 설계 파라미터를 적용하여 사판식 액셜 피스톤 펌프의 일정출력 레귤레이터 시스템을 모델링하였다. 일정출력 레귤레이터 시스템에 대한 실험결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델링의 타당성을 입증하였다.
- 2장에서 상세히 설명한 바와 같이, 일정출력 레귤레이터는 스풀과 슬리브가 함께 동작하는 구조이며 스풀과 슬리브의 변위가 제한되는 등의 비선형적인 거동을 포함하고 있다. 본 연구에서는 AMESim을 이용하여 MPR 시스템을 모델링하는 과정에서 펌프 및 일정출력 레귤레이터의각종 파라미터는 제품 제작 도면의 실제 치수를 이용하였고, 펌프 및 레귤레이터의 비선형적인 거동을 모두 고려하여 모델링을 수행하였다.
- 제 4 장에서는 설계도면을 이용하여 일정출력 레귤레이터를 포함한 MPR 용 가변용량형 액셜 피스톤펌프의 AMESim 모델링을 수행하였으며, MPR용가변용량형 액셜 피스톤 펌프에 대한 모델링의 타당성을 검증하였다. 본 장에서는 일정출력 레귤레이터의 일정출력 특성을 검증하는 동시에 일정출력레귤레이터의 작동 원리를 명확히 파악하기 위해서, MPR 용 가변용량형 액셜 피스톤 펌프의 AMESim 을 이용한 시뮬레이션모델의 입력조건을 실험 조건과 동일하게 설정하였다.
- 본 장에서는 일정출력 레귤레이터의 일정출력 특성을 검증하는 동시에 일정출력레귤레이터의 작동 원리를 명확히 파악하기 위해서, MPR 용 가변용량형 액셜 피스톤 펌프의 AMESim 을 이용한 시뮬레이션모델의 입력조건을 실험 조건과 동일하게 설정하였다. 즉, 부하압력 및 전기모터의 회전 수 조건을 실제 실험 조건의 값과 동일하게 입력하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- Fig. 1에 나타낸 바와 같이, 본 논문의 연구대상인 일정출력 레귤레이터가 장착된 사판식 가변용량형 액셜 피스톤 펌프 구성품은 일정출력 레귤레이터를 포함하는 레귤레이터 조립체(Regulator Ass'y, A), 펌프의 사판각을 변화시켜주는 제어 실린더를 포함하는 제어실린더 조립체(Regulator Ass'y, B), 펌프의 작동조건에 따라 일정출력 레귤레이터의 스풀과 슬리브의 변위를 조절하는 카운터밸런스 조립체 (Counterbalance Ass'y, C)로 구성되어 있다. 또한, 펌프의 로터리그룹과 제어실린더 조립체에 의해 경사각이 변하는 사판(D), 실린더 블록, 사판의 경사각 변화에 따라 Stroke 를 변화 시켜 토출 용량을 결정하는 피스톤(E), 등으로 구성된다.
- 본연구 대상인 MPR 에 적용된 가변용량형 액셜 피스톤 펌프를 모델링 하였다. 펌프는 9개의 피스톤으로 구성되어 있으며, 경전각은 최대 16°, 배제용적은 11.
데이터처리
- 1. 일정출력 레귤레이터의 특성 해석을 위해 AMESim 소프트웨어를 활용한 비선형 모델링을 수행하였고, 수학적 모델링의 타당성을 실험 결과와의 비교를 통해 입증하였다.
- 본 연구에서는 AMESim 소프트웨어를 이용하여 실제 제작 도면의 설계 파라미터를 적용하여 사판식 액셜 피스톤 펌프의 일정출력 레귤레이터 시스템을 모델링하였다. 일정출력 레귤레이터 시스템에 대한 실험결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델링의 타당성을 입증하였다. 또한, 시뮬레이션 결과로부터 도출된 일정출력 레귤레이터의 스풀 (spool) 과 슬리브 (sleeve) 의 내부 거동을 분석함으로써, 일정출력 레귤레이터의 최적화 설계를 위한 기초 데이터를 도출하였다.
성능/효과
- 2. 본 연구에서 제시된 가변용량형 액셜 피스톤펌프의 모델링은 펌프의 토크, 압력, 유량 맥동에 대한 해석이 가능하다. 따라서 본 연구에서 제시된 가변용량형 사판식 액셜 피스톤 펌프의 모델링 방법을 활용하면 일정출력 레귤레이터의 제어 특성을 실제 시스템과 거의 유사한 환경에서 고찰 가능하다.
- 3. 본 연구에서 제시한 일정출력 레귤레이터 시스템의 스풀과 슬리브의 내부거동에 관한 고찰을 통하여 일정출력 레귤레이터 시스템의 설계에 영향을 끼치는 주요 파라미터의 최적값 선정이 가능하다.
- 이러한 원인은 AMESim 시뮬레이션에서 펌프의 피스톤 외경과 실린더 블록 내경의 간극에 의한 내부누설을 고려하였기 때문인 것으로 사료된다. AMESim 시뮬레이션 결과를 근거로 한 사판식 가변용량형 액셜 피스톤 펌프의 체적효율은 약 96% 이다. 따라서, 일반적인 사판식 액셜피스톤 펌프의 체적효율이 90 〜 98% 로 알려져 있으므로 본 논문의 연구대상인 유압펌프는 가변용량형 액셜 피스톤펌프로서 만족할 만한 체적효율 값을 가진다.
- 또한, MPR용 액셜 피스톤 펌프의 일정출력 특성시험 시 전기모터의 회전수를 4500 rpm으로 설정하였으며, 동일한 전기모터의 회전수를 AMESim 을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션에 입력하였다. AMESim을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션에서 실험조건과 동일한 부하압력 및 전기 모터 의회 전수 조건을 입력하였기 때문에, 시뮬레이션을 통해 도출되는 일정출력 특성 결과가 실제 실험 결과와 유사한 결과를 나타낸다면 일정출력 레귤레이터의 스풀 및 슬리브의 동작을 간접적으로 파악할 수 있으며, 일정출력 레귤레이터의 구동 원리도 확인이 가능하다.
- 14의 시뮬레이션 결과로부터 사판각에 비례하여 펌프의 토출유량이 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 13, 14에 나타낸 바와 같이, MPR 용 가변용량형 액셜 피스톤 펌프에 대한 시뮬레이션 결과는 피스톤 펌프의 전형적인 유량 특성을 잘 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
- Fig. 15와 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 일정출 력 구간이 시작되는 45초 지점에서는 슬리브가 이 미 일정변위를 이동한 상태에 있으므로 이때부터 발생하는 스풀과 슬리브의 상대동작에 의해 일정출력 레귤레이터의 오리피스가 열리기 시작하는 것을 확인할 수 있으며, 일정출력이 유지되는 구간은 55 초 지점까지 오리피스의 크기가 점점 증가하다가 55초 이후에는 오리피스의 크기가 최대값을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 오리피스의 크기는 최대값을 유지하지만, 카운터 밸런스 스풀로 전달되는 슬리브의 스프링력이 55초 이후에는 Zero가 되기 때문에 MPR 용 가변용량형 액셜 피스톤 펌프의 사 판각이 55초 이후 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 16, 17, 18에는 일정출력 특성 시험결과 및 AMESim을 이용한 시뮬레이션 결과로부터 도출된 MPR 용 가변용량형 액셜 피스톤 펌프의 응답 특성을 비교하여 나타내었다. Fig. 16, 17, 18에 나타낸 바와 같이, MPR용 가변용량형 액셜 피스톤 펌프의 토출 유량 및 모터에 인가되는 토크 특성은 실험과 시뮬레이션 결과가 거의 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 일정출력 특성 시험결과도 AMESim을 이용한 시뮬레이션 결과와 거의 일치함을 확인할 수 있다.
- 본 연구에서 제시된 가변용량형 액셜 피스톤펌프의 모델링은 펌프의 토크, 압력, 유량 맥동에 대한 해석이 가능하다. 따라서 본 연구에서 제시된 가변용량형 사판식 액셜 피스톤 펌프의 모델링 방법을 활용하면 일정출력 레귤레이터의 제어 특성을 실제 시스템과 거의 유사한 환경에서 고찰 가능하다.
- 사판의 경전각이 0°가 되기 위한 카운터 밸런스 피스톤의 이동량은 이론적으로 약 14mm 이다. 따라서, AMESim을 이용한 시뮬레이션 결과는 이론적인 계산 및 실제 구동 조건을 잘 만족함을 알 수 있다.
- AMESim 시뮬레이션 결과를 근거로 한 사판식 가변용량형 액셜 피스톤 펌프의 체적효율은 약 96% 이다. 따라서, 일반적인 사판식 액셜피스톤 펌프의 체적효율이 90 〜 98% 로 알려져 있으므로 본 논문의 연구대상인 유압펌프는 가변용량형 액셜 피스톤펌프로서 만족할 만한 체적효율 값을 가진다.
- 15와 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 일정출 력 구간이 시작되는 45초 지점에서는 슬리브가 이 미 일정변위를 이동한 상태에 있으므로 이때부터 발생하는 스풀과 슬리브의 상대동작에 의해 일정출력 레귤레이터의 오리피스가 열리기 시작하는 것을 확인할 수 있으며, 일정출력이 유지되는 구간은 55 초 지점까지 오리피스의 크기가 점점 증가하다가 55초 이후에는 오리피스의 크기가 최대값을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 오리피스의 크기는 최대값을 유지하지만, 카운터 밸런스 스풀로 전달되는 슬리브의 스프링력이 55초 이후에는 Zero가 되기 때문에 MPR 용 가변용량형 액셜 피스톤 펌프의 사 판각이 55초 이후 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 특히, 유량계를 사용하여 측정한 실험 결과에서는 확인이 어려운 펌프의 각 피스톤의 토출에 따른 유량 맥동이 AMESim 소프트웨어를 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 결과에서는 명확하게 나타나고 있음을 확인할 수 있다.
- 13에 나타낸 바와 같이, 1회전당 펌프의 토출 유량은 각 피스톤의 토출 유량의 합으로 나타내어지며, 피스톤의 회전각도에 따라 토출하는 피스톤의 개수가 20° 간격으로 5개에서 4개로 또다시 5개로 변화함으로써 발생하는 유량맥동을 시뮬레이션 결과로부터 직접 확인할 수 있다. 펌프의 토출 유량 시뮬레이션 결과에서 알 수 있는 바와 같이 토출 유량의 평균치는 약 49.8 l/min으로 피스톤 직경과 스트로크 및 사판경전각 만으로 계산한 이론 토출 유량인 52 l/min 보다 다소 적게 나타남을 확인할 수 있다. 이러한 원인은 AMESim 시뮬레이션에서 펌프의 피스톤 외경과 실린더 블록 내경의 간극에 의한 내부누설을 고려하였기 때문인 것으로 사료된다.
후속연구
- 4. 본 연구의 일정출력 레귤레이터 및 사판식 가변용량형 유압 피스톤 펌프의 모델링은 다양한 제어방식을 갖는 레귤레이터의 특성 해석에 유효하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
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